JPH02197815A - 赤外線のための変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は赤外線に用いるためのフィルタやチョッパのよ
うな変調器に関する。

赤外線画像形成装置のある種の用途では、画像化された
赤外線の識別を改善する必要がある。この要件は原理的
には全波長帯域における各波長帯域をそれぞれカバーし
た多数のスペクトルフィルタを用いかつ満足しうる性能
が得られるまでフィルタを置換することによって充足さ
れうる。しかしスペクトルフィルタを連続的に変更する
ことは実際的ではない。各波長範囲を並列に処理するこ
とは可能であるが、そうするとそうちの価格、複雑さ、
重量および容積を大幅に増大させることになる。

赤外線画像形成装置では、回転ブレードよりなるチョッ
パを用いて一定の間隔で受信赤外線を遮断することが通
常行なわれていることである。しかし、その場合には機
械的運動と電気モータを用いるので、これが適切に考慮
されなければならない局部的な熱を発生するという問題
を生ずる原因となりうる。

従来、米国特許第３５１６７２８号に記載されているよ
うに、赤外線を強度変調するために鉄イオンをドープし
たテルル化カドミウムの複合半導体結晶を用いることが
提案されている。しかし、テルル化カドミウムは本質的
にバンドエツジが非常に小さいので、結晶格子構造と平
衡していないホットキャリアがそれらのエネルギを−Ｆ
ｅイオンに転移させられ、それによってバンドギャップ
を修正され、そしてこのＦｅイオンの新しいエネルギ状
態の結果として、結晶の光吸収が変更される。１００％
相対吸収に近づくためには３０００ボルトのオーダーの
非常に高い電圧レベルが必要とされ、そして結晶は低温
環境に維持されなければならない。さらに、ホットキャ
リアが格子と平衡していないので、濾波（ｆｉｌｔｅｒ
ｉｎｇ）が結晶の比較的小さい領域に局部化されてしま
う。さらに、種々の値の変調電流を印加することによっ
てバンドエツジ（ｂａｎｄ　ｅｄｇｅ）の相対的範囲が
若干変更されうるが、装置は相対的に固定した通過帯域
（ｐａｓｓ　ｂａｎｄ）を有している。

従って、装置のバンドエツジを掃引することができず、
装置は入射赤外線を波長走査させられることになる。

米国特許第４１９０８１１号には、予め定められた赤外
線周波数を有するハイパワー信号レーザービームを、そ
の信号レーザービームに透明な半導体を用いて切換える
ことも提案されている。その半導体の表面を照射するた
めにコントロールビームが用いられるが、そのビームは
、半導体内に自由キャリアを発生させるのに十分なだけ
高い周波数と、信号ビームの反射を生じさせるのに十分
な自由キャリア密度を生じさせるため十分な強度および
存続時間を有している。しかし、このような装置では、
比較的強いコントロールビームが必要とされる。さらに
半導体材料によるビームの吸収が比較的非効率的である
ため、照射ビームを用いたことによって発生される自由
キャリアの密度を正確に制御することが比較的困難であ
る。自由キャリア濃度の光学的制御はこの種の装置を多
くの用途に対して不適当なものとする。

本発明のひとつの目的は、光学的シャッターとしての作
用のほかに、入射赤外線のスペクトル濾波（ｓｐｅｃｔ
ｒａｌ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、スペクトル走査および
被制御変調を可能にする正確な制御が行なわれうる改良
された形式の変調器を提供することである。

従って、本発明によれば、赤外線の波長より実質的に大
きいバンドギャップを有する半導体材料の基体を具備し
、この基体は第１の導電型式の第１のドープされた領域
と、その第１の領域から離間されたそれとは逆の導電型
式の他のドープされた領域と、それらのドープされた領
域間の基体における自由キャリアの濃度を修正するため
の印加信号を受信し、入射赤外線に対する変調器のレス
ポンスを制御するための電極手段を具備している赤外線
のための変調器が提供される。

半導体材料はケイ素よりなり、第１のドープされた領域
は約１０１６／ｃｍ３のドーピング濃度を有するｎ型導
電形式よりなり、他のトープされた領域は１０１ｓ〜１
０１６／ｃｍ３の範囲のドーピング濃度を有するｐ型導
電形式よりなることが好ましい。

ひとつの実施例では、この変調器はさらに印加信号を与
える信号手段を具備しており、その信号手段は、赤外線
に対する変調器の反射率と透過率をその赤外線の波長の
関数として制御するように前記ドープされた領域間の基
体における自由キャリアの濃度を増大するためにそれら
のドープされた領域間に順方向のバイアス電圧を与える
ようになされている。

順方向電圧のレベルは、入射赤外線が変調器を透過され
るかあるいはそれから反射されるかに応じて、高域また
は低域濾波され、高域または低域カットオフ波長はその
順方向バイアス電圧レベルによって決定されるようにな
される。

順方向バイアス電圧レベルは、電圧レベルに応じて、入
射赤外線が振幅変調またはチョップされうるように電圧
レベル間で変化またはステップするようになされてもよ
い。

他の実施例では、この変調器は基体から反射されたまた
はそれを透過された赤外線の波長を測定するための手段
を具備していてもよく、信号手段が１対のまたは複数の
対の順方向バイアス電圧を与え、入射赤外線の帯域濾波
またはスペクトル走査を与えるようになされている。

いか図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明
しよう。

第１図を参照すると、変調器は高濃度でドープされ互に
離間されたｐ＋およびｎ１領域２および３を一方の面に
有しているｐドープされたケイ素基体１を具備している
。これらの領域はそれぞれ金属接点４および５のような
電極を設けられており、それらの２つの領域間のギャッ
プ６に信号源１１から電圧バイアスが印加されつるよう
になされている。順方向電圧バイアスの増大に伴って、
自由キャリアすなわち電子がｎ＋領域３からギャップに
注入される。ギャップの導電度が増大し、そして基体１
の表面は入射赤外線に対して反射性が増し透過性が低下
する。従って、開孔８を通過する赤外線ビーム７はドー
プされた領域間における基体１の表面で部分的に反射さ
れて、反射ビーム９および透過ビーム１０となる。これ
ら２つのビーム間のエネルギ分布は第２図に示されてい
るように信号源１１からギャップ６に印加される順方向
バイアス電圧に依存する。順方向バイアスが例えばｖｌ
という値からＶ、という値まで増加されると、入射赤外
線に対する基体１の高い鏡面反射率がより低い波長まで
拡張されることが第２図から判る。

従って、この変調器の通過帯域のバンドエツジはバイア
ス電圧の変化によって入射赤外線のスペクトルを横切っ
て掃引されうる。

このようにして照射ビームは幾つかの態様で修正されう
る。例えば、 １）赤外線波長（例えば第２図のλＯ）における反射率
がバイアスの変化とともに迅速に変化するように比較的
小さい範囲〔例え（ス第２図における電圧Ｖ２およびＶ
ａ）にわたって順方向バイアス電圧を変化させることに
よって振幅が変調される。

２）基体１の反射率が交互に高低となるように比較的広
い範囲（例えば第２図における電圧ｖ１およびｖ諺の間
）にわたってバイアス電圧を変化させることによって赤
外線がチョップされる、すなわちパルス変調される。

３）予め定められた電圧レベルのバイアス電圧を印加す
ることによって短い波長を除去するように濾波され、カ
ットオフ波長はその印加されたバイアスによって決定さ
れる。

４）ひとつのバイアス電圧（例えば第２図のｖｉ）にお
ける基体１のレスポンスを増大されたバイアス電圧（例
えば第２図のＶｓ）におけるレスポンスから差引くこと
のよって選択された範囲の波長だけを受取るように濾波
される。複数対のバイアス電圧を用いることによって、
その選択されたはんいの波長が利用可能なスペクトル範
囲にわたって走査され、照射ビーム７のスペクトル解析
を行なうことができる。反射された赤外線の波長を測定
するための検知手段１２によって、異なるバイアス電圧
において順次の測定がなされ、複数対の測定値が互いに
差引かれるか、あるいは２つの変調器が同時に走査され
、その場合、第１の変調器は第２の装置より小さいバイ
アスを有し、第１の装置による測定値が第２の装置によ
る測定値から差引かれるようになされてもよい。

透過したビームを相補的態様で用いることも可能である
。例えば、一定のバイアス電圧を有する単純なフィルタ
（上記第８項）が短い波長ではなくて長い波長を除去し
、照射ビームの低域濾波を行なうであろう。しかし、透
過ビームを用いるのは反射ビームを用いるのより効率が
低い。なぜなら、短い波長では、基体１における５ｉ−
０結合の長手方向共振による格子吸収ピークが存在する
からである。この点については、基体材料としてはゲル
マニウムが好ましい。

あるバイアス電圧（例えば第２図のＶＳ）を有する第１
の変調器からの反射ビームと、それより小さいバイアス
電圧（例えば第２図のＶ、）を有する第２の変調器から
の透過ビームをを用いることによっても帯域通過フィル
タ（上記第４項）が実現されうる。選択された波長帯域
内の放射線だけが２つの装置で反射されるとともにそれ
らを透過されるであろう。

以上本発明の特定の実施例について説明したが、本発明
の範囲内で種々の変形変更が可能であることわかるであ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による赤外線変調器の概略断面図、第２
図は第１図の赤外線変調器の反射率を順方向バイアスの
種々の値に対する波長の関数として示す図である。 図面において、１は半導体基体、２．３はドープされた
領域、４．５は金属接点、６はギャップ、７は赤外線ビ
ーム、８は開孔、９は反射ビーム、ｌＯは透過ビーム、
１１は信号源を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、赤外線の波長より実質的に大きいバンドギャップを
   有する半導体材料の基体を具備し、この基体は第１の導
   電型式の第１のドープされた領域と、その第１の領域か
   ら離間されたそれとは逆の導電型式の他のドープされた
   領域と、それらのドープされた領域間の基体における自
   由キャリアの濃度を修正するための印加信号を受信し、
   入射赤外線に対する変調器のレスポンスを制御するため
   の電極手段を具備している赤外線のための変調器。 ２、前記半導体材料がケイ素よりなる請求項１の変調器
   。 ３、前記第１のドープされた領域は約１０＾２＾０／ｃ
   ｍ＾３のドーピング濃度を有するｎ型導電型式よりなり
   、前記他のドープされた領域は１０＾１＾５〜１０＾１
   ＾６／ｃｍ＾３の範囲のドーピング濃度を有するｐ型導
   電型式よりなる請求項１または２の変調器。 ４、前記印加信号を与える信号手段をさらに具備し、そ
   の信号手段は前記ドープされた領域間に順方向のバイア
   ス電圧を与えてそれらのドープされた領域間における基
   体内の自由キャリアの濃度を増加させ、それによって赤
   外線に対する変調器の反射率と透過率をその赤外線の関
   数として制御するようになされている請求項１〜３の変
   調器。 ５、前記信号手段は、変調器によって反射された入射赤
   外線が高域濾波されるかあるいは変調器によって透過さ
   れた赤外線が低域濾波されるように順方向のバイアス電
   圧を与えるようになされており、低域または高域カット
   オフ波長がその順方向のバイアス電圧レベルによって決
   定される請求項４の変調器。 ６、前記信号手段は第１および第２の電圧レベル間で変
   化する順方向のバイアス電圧を与え、それによって入射
   赤外線を振幅変調するようになされている請求項４の変
   調器。 ７、前記信号手段は、第１および第３の電圧レベル間で
   ステッピングする順方向のバイアスを与え、それによっ
   て変調器がそれぞれ入射赤外線に対して比較的低い反射
   率と比較的高い反射率を呈するようになし、入射赤外線
   がチョップまたは位相変調されるようになされた請求項
   ４の変調器。 ８、変調器から反射されたまたはそお変調器を透過した
   赤外線の波長を測定するための測定手段をさらに具備し
   ており、前記信号手段はレベルの等しくない１対の順方
   向バイアス電圧を与えるようになされており、かつ前記
   測定手段は前記対の順方向バイアス電圧レベルのそれぞ
   れにおいて変調器によって反射されたまたは変調器を透
   過した赤外線の波長を測定し、入射赤外線の帯域通過濾
   波を行なうようになされている請求項４の変調器。 ９、前記信号手段はレベルの等しくない複数対の順方向
   バイアス電圧を順次に与え、入射赤外線の波長スペクト
   ルの走査を行なうようになされた請求項６の変調器。 １０、付加的な第１のおよび他の離間してドープされた
   領域を具備し、前記信号手段は、前記ドープされた領域
   間における対または各対の１つの順方向バイアス電圧と
   付加的なドープされた領域間における対または各対の他
   の順方向バイアス電圧とを同時的に与え、それによって
   それぞれ入射赤外線の波長スペクトルを帯域濾波または
   走査するようになされた請求項９の変調器。